JP4696249B2 - Shape measuring method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、被測定面の形状を計測する形状測定方法及び装置に関する。 The present invention relates to a shape measuring method and apparatus for measuring the shape of a surface to be measured.
近年の精密加工技術の発展に伴い、加工部品の表面形状に関する品質管理が重要となっている。そして、製造される加工部品のインプロセス全教表面形状検査が可能ならば、工場からの不良品出荷の抑制に大いに効果がある。現在、形状検査のために、触針式形状測定装置やレーザ干渉計などが用いられているが、これらの装置は測定対象の高い設定位置精度が要求され、また機械的な振動に弱く特別な測定室が必要なため、インプロセス全数表面形状検査装置に適用できない。 With the development of precision machining technology in recent years, quality control regarding the surface shape of machined parts has become important. And if in-process holistic surface shape inspection of manufactured parts is possible, it is very effective in suppressing defective products from the factory. At present, stylus-type shape measuring devices and laser interferometers are used for shape inspection, but these devices require a high set position accuracy of the measurement object and are not susceptible to mechanical vibrations. Since a measurement chamber is required, it cannot be applied to an in-process surface shape inspection apparatus.
測定対象表面を1点ずつ走査して測定する従来の表面形状測定装置は、数cmにわたる走査速度が数十秒と遅いため測定時問が長くなり、そのため機械的な振動の影響を受易い欠点があった。また、走査光学系が高価でもあり、インプロセス全数表面形状検査装置としては不十分であった。これらの不十分な点を解決する表面形状測定装置が、特許文献1に開示されている。 A conventional surface shape measuring device that scans and measures the surface of a measurement object point by point has a long measurement time because the scanning speed over several centimeters is as slow as several tens of seconds, and is therefore susceptible to mechanical vibration. was there. Further, the scanning optical system is expensive, and it is insufficient as an in-process total surface shape inspection apparatus. A surface shape measuring apparatus that solves these insufficient points is disclosed in Patent Document 1.
この表面形状測定装置は、光源から放射される光束を走査光学系を介して被測定面に入射させ、この被測定面により反射された前記光束を位置センサで確知して傾斜分布を測定し、得られた傾斜分布を演算装置で積分することにより被測定面の形状を求める形状測定装置であって、光源から放射される光束を光束変向手段により実時間で変向し、この光束変向手段により変向した光束が、一若しくは複数の平面ミラーで反射して前記被測定面と対向状態に設けた凹面ミラーを介して前記被測定面に入射すると共に、光束変向手段により変向角度を変化させることで前記被測定面上を走査し得るように前記走査光学系を構成し、前記光束変向手段と位置センサとは夫々前記平面ミラー若しくは被測定面を介して互いに凹面ミラーの共役点に設けたものである。 This surface shape measuring apparatus causes a light beam emitted from a light source to enter a surface to be measured via a scanning optical system, and measures the inclination distribution by recognizing the light beam reflected by the surface to be measured with a position sensor, A shape measuring device that obtains the shape of the surface to be measured by integrating the obtained slope distribution with an arithmetic unit, and changes the luminous flux emitted from the light source in real time by the luminous flux redirecting means. The light beam redirected by the means is reflected by one or a plurality of plane mirrors and is incident on the measured surface via a concave mirror provided in a state of facing the measured surface, and the turning angle by the light beam redirecting means. The scanning optical system is configured so that the surface to be measured can be scanned by changing the light beam, and the light beam redirecting means and the position sensor are conjugates of the concave mirror to each other via the plane mirror or the surface to be measured. Set at the point It is intended.
特許文献1の第一実施例において、光束変向手段と位置センサは、凹面ミラーの共役距離に配置しているが、この「共役距離に配置する」の意味は、光路S1−R−M=L1および光路M−Q−S2=L2とおくと、(1/L1)+(1/L2)=2/Rが成り立つようにすることである。平面ミラーおよび被測定面の位置については、光束変向手段からの距離が等しくなっているため、L1=L2=Rとすることができ、(1/L1)+(1/L2)=2/Rが成り立つ。この状態は特別の場合であり、明細書中の段落「0043」では凹面ミラーは無収差になると表現している。この無収差のときは、被測定面からの反射光の方向が被測定面の形状に比例するため、明細書中の段落「0051」に述べられているように、光スポット位置変位△より、被測定面の形状が得られる。 In the first embodiment of Patent Document 1, the light beam redirecting means and the position sensor are arranged at the conjugate distance of the concave mirror. The meaning of “arranged at the conjugate distance” means the optical path S 1 -R-M. When L = L1 and the optical path M−Q−S 2 = L2, (1 / L1) + (1 / L2) = 2 / R is established. With respect to the positions of the plane mirror and the surface to be measured, the distances from the light beam redirecting means are equal, so that L1 = L2 = R, and (1 / L1) + (1 / L2) = 2 / R holds. This state is a special case, and the paragraph “0043” in the specification expresses that the concave mirror has no aberration. When there is no aberration, the direction of the reflected light from the surface to be measured is proportional to the shape of the surface to be measured. Therefore, as described in paragraph “0051” of the specification, from the light spot position displacement Δ, The shape of the surface to be measured is obtained.
他方、特許文献1の第二実施例においても、光束変向手段と位置センサは、(1/L1)+(1/L2)=2/Rが成り立つように配置されている。しかし、L1がL2と等しくないため、被測定面の形状に比例する光スポット位置変位(S2の位置に対応する)は光束変向手段の面上に現れる。このため、レンズを用い、光束変向手段の面を位置センサの面に結像している。つまり、第二実施例は、位置センサを凹面ミラーの共役点(光束変向手段の面上のS2)に配置できないときの構成(光束変向手段があるから)である。なお、位置センサは、レンズの一方の共役距離に配置され、凹面ミラーの一方の共役距離がレンズの他方の共役点になっている(上記のレンズによる結像関係にある)。
この表面形状測定装置では、測定対象の表面形状を10ナノメータ以下の誤差で測定しようとするとき、測定対象面の前後方向に対して測定対象面を1ミクロン以下の誤差で設定する必要がある。しかし、実際の測定では通常100ミクロン程度の位置設定誤差が存在するため、表面形状の測定結果には数ミクロンのオーダーの誤差が生じる。この測定誤差として生じる表面形状は、レーザビームの1次元走査方向に対して2次の関数となっている。このため、測定対象面が2次関数の表面形状成分を含む場合は、特許文献1に開示されている表面形状測定装置では表面形状を正確に測定できないという大きな問題点がある。 In this surface shape measuring apparatus, when the surface shape of the measurement target is to be measured with an error of 10 nanometers or less, it is necessary to set the measurement target surface with an error of 1 micron or less with respect to the front-rear direction of the measurement target surface. However, in actual measurement, there is usually a position setting error of about 100 microns, so an error of the order of several microns occurs in the measurement result of the surface shape. The surface shape generated as the measurement error is a quadratic function with respect to the one-dimensional scanning direction of the laser beam. For this reason, when the surface to be measured includes a surface shape component of a quadratic function, there is a big problem that the surface shape cannot be accurately measured with the surface shape measuring apparatus disclosed in Patent Document 1.
そこで本発明は上記問題点に鑑み、測定対象の位置設定精度に対する厳しい条件がなく、2次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる形状測定方法及び装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, the present invention has an object to provide a shape measuring method and apparatus capable of accurately measuring a surface shape including a surface shape component of a quadratic function without strict conditions on the position setting accuracy of a measurement target. To do.
本発明における請求項1の形状測定方法及び請求項4の形状測定装置では、走査光学系により光源から放射される光束を測定対象の表面上で走査させ、当該測定対象で反射された反射光束の伝搬方向を光伝搬方向検出系で検出し、当該検出結果に基づいて演算を行うことにより前記測定対象の表面形状を求める形状測定方法(又は当該検出結果に基づいて演算装置で演算を行うことにより前記測定対象の表面形状を求める形状測定装置)であって、前記走査光学系を、前記光源から放射される光束を所望の方向へ変向させる光束変向手段と、該光束変向手段で変向された光束を反射する平面ミラーと、該平面ミラーと対向して設けられ、前記平面ミラーで反射された光束を反射して前記測定対象に入射させる凹球面ミラーとから構成すると共に、前記光束が前記光束変向手段から前記平面ミラーを介して前記凹球面ミラーに至るまでの光路長が前記凹球面ミラーの曲率半径に等しくなるよう前記平面ミラー及び前記凹球面ミラーを配設し、前記光伝搬方向検出系を、前記測定対象で反射された反射光束が入射するレンズと、該レンズから該レンズの焦点距離だけ離れた位置に配置された光位置検出器とから構成している。 In the shape measuring method according to claim 1 and the shape measuring apparatus according to claim 4 of the present invention, the light beam emitted from the light source by the scanning optical system is scanned on the surface of the measurement object, and the reflected light beam reflected by the measurement object is measured. By detecting the propagation direction with a light propagation direction detection system and performing a calculation based on the detection result, a shape measuring method for obtaining the surface shape of the measurement object (or by performing a calculation with a calculation device based on the detection result) A shape measuring apparatus for determining a surface shape of the measurement object), wherein the scanning optical system is changed by a light beam diverting unit for diverting a light beam emitted from the light source in a desired direction, and the light beam diverting unit. A plane mirror that reflects the directed light beam, and a concave spherical mirror that is provided opposite to the plane mirror and reflects the light beam reflected by the plane mirror and enters the object to be measured. The planar mirror and the concave spherical mirror are arranged so that the optical path length from the luminous flux changing means through the plane mirror to the concave spherical mirror is equal to the curvature radius of the concave spherical mirror. The light propagation direction detection system includes a lens on which a reflected light beam reflected by the measurement object is incident, and an optical position detector disposed at a position separated from the lens by a focal length of the lens. .
このようにすると、測定対象表面の傾斜によって測定対象面からの反射光束の伝搬方向が異なることから表面形状の測定を行うことができるため、正確に角度振れを検出することができる光学系となっており、測定対象の位置設定精度に対する厳しい条件はなくなり、2次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる。 In this way, since the surface shape can be measured because the propagation direction of the reflected light beam from the measurement target surface varies depending on the inclination of the measurement target surface, the optical system can accurately detect angular shake. Therefore, there are no strict conditions for the position setting accuracy of the measurement object, and the surface shape including the surface shape component of the quadratic function can be measured accurately.
本発明における請求項2の形状測定方法及び請求項5の形状測定装置では、前記測定対象で反射された反射光束を前記光束変向手段で反射するように構成し、当該光束変向手段で反射された反射光束を前記レンズへ向けて反射する第2の平面ミラーを配設している。 The shape measuring method according to claim 2 and the shape measuring apparatus according to claim 5 of the present invention are configured such that the reflected light beam reflected by the measurement object is reflected by the light beam diverting means and reflected by the light beam diverting means. A second plane mirror is provided for reflecting the reflected light flux toward the lens.
このようにすると、光伝搬方向検出系を走査光学系から離れた位置に配置できるため、当該形状測定に使用する装置(形状測定装置)が構成しやすくなる。 In this way, since the light propagation direction detection system can be arranged at a position away from the scanning optical system, it is easy to configure an apparatus (shape measuring apparatus) used for the shape measurement.
本発明における請求項3の形状測定方法及び請求項6の形状測定装置では、前記光伝搬方向検出系の検出結果である前記光位置検出器の検出位置△(△=2θf、θは前記測定対象の表面の傾斜角、fは前記焦点距離)に基づいて前記傾斜角θを逐次算出することにより、前記検出位置△の走査方向位置xに対する位置分布△(x)を測定し、次式を演算することにより、 In the shape measuring method according to claim 3 and the shape measuring apparatus according to the present invention, the detection position Δ (Δ = 2θf, θ is the measurement object) of the optical position detector, which is the detection result of the light propagation direction detection system. The position distribution Δ (x) of the detection position Δ with respect to the scanning direction position x is measured by sequentially calculating the inclination angle θ based on the inclination angle of the surface of the lens, and f is the focal length), and the following equation is calculated: By doing
前記測定対象の表面形状r(x)を求める。 The surface shape r (x) of the measurement object is obtained.
このようにすると、光位置検出器の検出位置から測定対象の表面形状を容易に算出することができる。 In this way, the surface shape of the measurement object can be easily calculated from the detection position of the optical position detector.
本発明の請求項1,4によると、測定対象の位置設定精度に対する厳しい条件がなく、2次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる形状測定方法及び装置を提供することができる。 According to the first and fourth aspects of the present invention, it is possible to provide a shape measuring method and apparatus capable of accurately measuring a surface shape including a surface shape component of a quadratic function without a strict condition on the position setting accuracy of a measurement target. .
本発明の請求項2,5によると、装置構成が容易となる。 According to claims 2 and 5 of the present invention, the apparatus configuration is facilitated.
本発明の請求項3,6によると、測定対象の表面形状を容易に算出することができる。 According to claims 3 and 6 of the present invention, the surface shape of the measurement object can be easily calculated.
以下、添付図面を参照しながら、本発明における形状測定方法及び装置の好ましい実施例を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a shape measuring method and apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
まず、本発明の要点について説明する。 First, the main points of the present invention will be described.
測定対象表面の傾斜に比例した光束であるレーザビームの角度振れを検出し、表面傾斜を積分することより1次元表面形状を測定する測定原理がある。この測定原理を適用した1次元表面形状測定装置として、レーザビームを測定対象表面上で高速に1次元走査し、かつ同時に測定対象表面の傾斜によるレーザビームの角度振れを検出する光学系で構成される表面形状測定装置を発明した。本発明の走査光学系では、回転するスキャナミラー、平面ミラー、凹球面ミラーを用いることによって構成されている。従って、非常に安価な高速走査光学系となっている。 There is a measurement principle in which a one-dimensional surface shape is measured by detecting an angular fluctuation of a laser beam, which is a light beam proportional to the inclination of the surface to be measured, and integrating the surface inclination. As a one-dimensional surface shape measuring device applying this measurement principle, it is composed of an optical system that scans a laser beam one-dimensionally on the surface to be measured at high speed and simultaneously detects the angular deflection of the laser beam due to the inclination of the surface to be measured. Invented a surface shape measuring device. The scanning optical system of the present invention is configured by using a rotating scanner mirror, a plane mirror, and a concave spherical mirror. Therefore, it is a very inexpensive high-speed scanning optical system.
同様な走査光学系を用いた表面形状測定装置が特許文献1に開示されているが、この測定装置では、測定対象面からの反射レーザビームが到達する位量が測定対象表面の傾斜によって異なることから表面形状の測定を行っている。このため、上述のように、測定対象の位置設定精度が厳しく、レーザビームの1次元走査方向に対して2次の関数となる表面形状の成分を測定できないという大きな問題点を有している。 A surface shape measuring device using a similar scanning optical system is disclosed in Patent Document 1, but in this measuring device, the amount of the reflected laser beam from the surface to be measured varies depending on the inclination of the surface to be measured. The surface shape is measured. For this reason, as described above, there is a serious problem that the position setting accuracy of the measurement target is strict and the component of the surface shape that is a quadratic function in the one-dimensional scanning direction of the laser beam cannot be measured.
本発明では、これらの問題点を解決するように、平面ミラーと凹球面ミラーの位置関係を設定し、かつ角度振れを受けた反射レーザビームをレンズにより光検出器上に導くことによって、測定対象表面の傾斜によって測定対象面からの反射レーザビームの伝搬方向が異なることから表面形状の測定を行っている。このため、正確に角度振れを検出することができる光学系となっており、測定対象の位置設定精度に対する厳しい条件はなくなり、2次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる。 In the present invention, in order to solve these problems, the positional relationship between the plane mirror and the concave spherical mirror is set, and the reflected laser beam subjected to the angular deflection is guided onto the photodetector by the lens. The surface shape is measured because the propagation direction of the reflected laser beam from the surface to be measured differs depending on the inclination of the surface. For this reason, it is an optical system that can accurately detect angular shake, and there is no strict condition for the position setting accuracy of the measurement object, and the surface shape including the surface shape component of the quadratic function can be measured accurately.
以上の特性から本発明による表面形状測定装置では、測定対象の位置設定に対し高い精度が要求されないため、測定対象の設定が容易である。また、数cmにわたる1次元表面形状の測定時問がミリ秒オーダーと非常に短時間であり除震装置を必要としないため、機械的振動が多い悪環境の中でのインプロセス全数表面形状検査に有効な測定装置となっている。 From the above characteristics, in the surface shape measuring apparatus according to the present invention, high accuracy is not required for setting the position of the measurement object, so that the measurement object can be easily set. In addition, since the measurement time of a one-dimensional surface shape over several centimeters is very short, on the order of milliseconds, and no seismic isolation device is required, in-process total surface shape inspection in a bad environment with many mechanical vibrations. It is an effective measuring device.
次に、本発明で用いる表面形状測定の原理を図1で説明する。 Next, the principle of surface shape measurement used in the present invention will be described with reference to FIG.
レーザ光源10から放射されたレーザビームが、測定対象30の表面S上の点Pに入射している。点Pで反射したレーザビームは、もし測定対象面Sが平坦ならば、レンズ41を通り光ビーム位置検出器42上の点Oに入射する。ただし、POはレンズ41の光軸であり、光ビーム位置検出器42の検出面は光軸に垂直である。また、レンズ41と光ビーム位置検出器42との距離はレンズ41の焦点距離fに等しい。測定対象30の表面S上の点Pにおける接線とx軸とのなす角である傾斜角がθならば、点Pからの反射レーザビームは直線POと2θの角をなす。従って、このときの光ビーム位置検出器42の面上の光束入射点としてのレーザビームスポットの位置△は、θが非常に小さいならば、レンズ41の作用により△=2θfとなる。光ビーム位置検出器42の出力は光ビームの位置△に比例した値であり、傾斜角θを測定することができる。測定対象30の表面上のビームスポットをx軸方向に走査し、光ビームの位置分布△(x)を測定すれば、
The laser beam emitted from the
数式2で測定対象30の1次元表面形状r(x)を測定できる。
The one-dimensional surface shape r (x) of the measuring
図2乃至図4を用い、上記の原理に基づく本発明の実施例について説明する。 An embodiment of the present invention based on the above principle will be described with reference to FIGS.
10はレーザ光源であり、例えば気体レーザ,半導体レーザなどを用いればよい。11は、測定対象30の表面上のビームスポット径の大きさを調整するためのレンズである。20は、レーザ光源10より放射されたレーザビームを反射(変向)することにより測定対象30の面上でビームスポットを走査させるための光束変向手段としてのスキャナミラーであり、例えばモータの回転軸に取り付けられた平面ミラー,ハーフミラー,ポリゴンミラー,ガルバノスキャナなどが用いられる。また、このスキャナミラー20は、測定対象30の表面からの反射レーザビームを反射して平面ミラー40に入射させるためにも利用される。21は、スキャナミラー20で反射したレーザビームを反射して凹球面ミラー22に入射させる平面ミラーである。22は、平面ミラー21で反射したレーザビームを反射して測定対象30に入射させる凹球面ミラーである。40は、スキャナミラー20で反射した反射レーザビームを反射してレンズ41に入射させる平面ミラーである。41は、測定対象30からの反射レーザビームの伝搬方向を検出するためのレンズである。42は、光ビーム位置検出器であり、例えばCCD素子,PSD,フォトダイオードアレイなどを用いればよい。51は、光ビーム位置検出器42で得られた位置検出信号に対し、上記説明した測定対象30の1次元表面形状r(x)を求めるための演算を行う演算装置としてのパーソナルコンピュータ(以下、パソコンという)である。
まず図2において、レーザ光源10からの細いレーザビームを、レンズ11を通過させて、スキャナミラー20の回転中心A点に入射させる。レンズ11の位置によって測定対象30の表面上のビームスポット径の大きさを調整する。スキャナミラー20が同図のような回転位置にあるときは、点Aからの反射レーザビームは、平面ミラー21のQ点に入射し、凹球面ミラー22のC点に到る。凹球面ミラー22の光軸はz軸方向であり、スキャナミラー20の回転中心A点はこの光軸上にある。経路AQとz軸のなす角度はφである。このような配置で、長さAQCが凹球面ミラー22の曲率半径に等しい時、凹球面ミラー22のC点からの反射レーザビームは同じ経路CQを戻り、測定対象30のP点に到達する。P点で測定対象面がx軸となす角度である傾斜角θがθ=0のときは、P点からの反射レーザビームは経路AQと平行に進み、スキャナミラー20のR点に達し、平面ミラー40のT点で反射される。経路RTはレーザ光源10からのレーザビームと平行である。平面ミラー40で反射されたレーザビームはレンズ41に入射される。レンズ41の光軸はz軸に平行である。レンズ41からレンズ41の焦点距離fだけ離れた位置に光ビーム位置検出器42が配置されており、レンズ41を通過したレーザビームは光ビーム位置検出器42上のO点すなわち光軸と交わる点Oに到達する。この場合は光ビームの位置△は△=0であり、測定対象表面の傾斜角θはθ=0と検出される。
First, in FIG. 2, a thin laser beam from the
スキャナミラー20が回転すると角度φが変化し、測定対象30の表面上のビームスポットはx軸方向に走査される。同図のように測定対象30の面がx軸に平行な平坦面の場合には、測定対象30の面からの反射レーザビームは常に光軸上のX点を通過し、凹球面ミラーの光軸とのなす角度はφである。この反射レーザビームがスキャナミラー20で反射されると、レーザビームはレンズ41の光軸と平行となり、光ビーム位置検出器42上のO点に達する。なお、レーザビームと光軸との距離hはh=2dφである。
When the
次に図3に示すように、測定対象30の面の傾斜角がθの場合は、測定対象30の面からの反射レーザビームは、平坦面の場合に比べて角度2θだけ余分に角度触れを起こし、レンズ41に入射する時には、レーザビームとレンズ41の光軸となす角は2θとなり、光ビーム位置検出器42上の点に到達する位置は点Oから△=2θfだけ離れた位置となる。
Next, as shown in FIG. 3, when the tilt angle of the surface of the measuring
スキャナミラー20の回転により測定対象30の面上のビームスポットはx軸方向に走査され、この走査による光ビーム位置検出器42の出力はパソコン51に取り込まれる。取り込まれた検出データから光ビームの位置△、測定対象表面の傾斜角θが求められ、表面形状r(x)が計算される。
The beam spot on the surface of the measuring
図2,3はx−z平面上に描かれた図であり、伝搬するレーザビームが平面ミラー40、凹球面ミラー22、あるいは平面ミラー21で遮断されるように描かれているが、実際の装置では、図4に示すように、これらのレーザビームの遮断が生じないような配置となっている。凹球面ミラー22はy軸方向には細い形をした矩形であり、ビーム経路AQが遮断されないようになっている。平面ミラー21と凹球面ミラー22はx軸に平行ではあるが、x軸方向を回転軸として傾いている。そのため、ビーム経路QCおよびCPはx−z面と平行ではなく、平面ミラー21もy軸方向には細い形をした矩形とすることによって、ビーム経路CPは平面ミラー21によって遮断されないようになっている。
2 and 3 are drawings drawn on the xz plane, and the propagating laser beam is drawn so as to be blocked by the
ここで、上記特許文献1に開示される形状測定装置と本発明に係る形状測定装置との差異点について説明する。 Here, the difference between the shape measuring apparatus disclosed in Patent Document 1 and the shape measuring apparatus according to the present invention will be described.
特許文献1の明細書中において段落「0059」に述べられているように、第一実施例の平面ミラーの位置は障害があり実用的でない。このため、本発明の実施例でも、特許文献1の第二実施例と同様の構成となっており、平面ミラーおよび被測定面の位置については、光束変向手段からの距離が異なっている。しかし、特許文献1では、光路S1−R−Mは光路M−Q−S2より必ず短くなるため、光路S1−R−Mおよび光路M−Q−S2の長さは凹面ミラーの共役距離となるように平面ミラーおよび被測定面の位置が決められている。そして、凹面ミラーの一方の共役距離にある光束変向手段の面上での光の動きを検出するために、位置センサは、レンズの一方の共役距離に配置され、凹面ミラーの一方の共役距離がレンズの他方の共役点になっている。 As described in paragraph “0059” in the specification of Patent Document 1, the position of the plane mirror of the first embodiment is impractical and impractical. For this reason, the embodiment of the present invention has the same configuration as that of the second embodiment of Patent Document 1, and the distances from the light beam redirecting means are different with respect to the positions of the plane mirror and the surface to be measured. However, in Patent Document 1, since the optical path S1-R-M is always shorter than the optical path M-Q-S2, the lengths of the optical path S1-R-M and the optical path M-Q-S2 are conjugate distances of the concave mirrors. Thus, the positions of the plane mirror and the surface to be measured are determined. And in order to detect the movement of light on the surface of the beam redirecting means at one conjugate distance of the concave mirror, the position sensor is arranged at one conjugate distance of the lens and one conjugate distance of the concave mirror Is the other conjugate point of the lens.
このような特許文献1の配置では(第二実施例の場合)、以下の2つの欠点が生じている。(a)測定対象の表面形状を10ナノメータ以下の誤差で測定しようとするとき、測定対象面の前後方向に対して測定対象面を1ミクロン以下の誤差で設定する必要がある。(b)レーザビームの1次元走査方向に対して2次の関数となっている表面形状成分を測定できない。 Such an arrangement of Patent Document 1 (in the case of the second embodiment) has the following two drawbacks. (A) When measuring the surface shape of the measurement target with an error of 10 nanometers or less, it is necessary to set the measurement target surface with an error of 1 micron or less with respect to the front-rear direction of the measurement target surface. (B) A surface shape component that is a quadratic function in the one-dimensional scanning direction of the laser beam cannot be measured.
これらの欠点を取り除くため、本発明の実施例では以下の配置とした。光路S1−R−Mは凹面ミラーの曲率半径に等しくする。すなわち、図2で光路A−Q−Cは凹球面ミラーの曲率半径に等しい。 In order to remove these drawbacks, the following arrangement was adopted in the examples of the present invention. The optical path S1-R-M is made equal to the radius of curvature of the concave mirror. That is, in FIG. 2, the optical path A-Q-C is equal to the radius of curvature of the concave spherical mirror.
このような本発明の実施例における配置で、測定対象表面の傾斜θによって測定対象面からの反射レーザビームの伝搬方向が変化し、光学系の光軸に対して2θだけ傾く(図3参照)。このとき、測定対象表面の位置には制限がない。これに対して特許文献1では、光路M−Q−S2の長さは凹面ミラーの共役距離であると言う制限があり、測定対象表面の位置を正確に設定する必要がある。 With such an arrangement according to the embodiment of the present invention, the propagation direction of the reflected laser beam from the measurement target surface changes due to the inclination θ of the measurement target surface, and is inclined by 2θ with respect to the optical axis of the optical system (see FIG. 3). . At this time, the position of the measurement target surface is not limited. On the other hand, in Patent Document 1, there is a limitation that the length of the optical path MQ-S2 is a conjugate distance of the concave mirror, and it is necessary to accurately set the position of the measurement target surface.
本発明の実施例では、反射レーザビームの伝搬方向(光学系の光軸に対して傾いている角度2θ)を検出するためにレンズ41を用い、レンズ41の焦点面に光ビーム位置検出器42を配置する。2θfの光ビームの位置を検出する。すなわち、レンズ41は結像するためのレンズ(結像レンズ)ではない。
In the embodiment of the present invention, the
これに対して特許文献1では、レンズは、光束変向手段の面上での光の動きを検出するために、光束変向手段の面上の光の像が位置センサの面上に形成されるように配置されている。すなわち、ここでのレンズは結像レンズである。 On the other hand, in Patent Document 1, in order for the lens to detect the movement of light on the surface of the light beam turning means, an image of light on the surface of the light beam turning means is formed on the surface of the position sensor. It is arranged so that. That is, the lens here is an imaging lens.
以上の配置によって、前記(a)の欠点を排除し測定対象面の位置設定精度は数mm程度で良い。また、前記(b)の欠点を排除し、2次の関数となっている表面形状成分も測定できる。 With the above arrangement, the above-mentioned defect (a) is eliminated, and the position setting accuracy of the measurement target surface may be about several mm. Moreover, the surface shape component which is a quadratic function can be measured by eliminating the defect (b).
ところで、出願人は、図2乃至図4に示した本実施例における形状測定装置を用いて、その作用効果を検証するための形状測定実験を行った。 By the way, the applicant conducted a shape measurement experiment for verifying the function and effect by using the shape measuring apparatus in the present embodiment shown in FIGS.
当該形状測定実験にあたり、具体的な条件としては以下のようにした。レーザ光源10は出力5mWのHe−Neレーザ光源を用いた。凹球面ミラー22の形状は80mm×15mmの矩形であり、曲率半径はR=400mmであった。測定対象30の表面上のビームスポットの半値幅は30μmであった。測定対象30と平面ミラー21の距離はd=7mmであった。レンズ41の焦点距離は200mmであった。光ビーム位置検出器42は2次元位置検出センサであり、位置検出分解能は1.5μmであった。したがって、測定対象30の面の傾斜角検出分解能は3.5×10−6radであった。スキャナミラー20は速度制御可能なサーボモータに取り付けられ、モータの回転角速度は250rpmであった。試料面Sとスキャナミラーの距離は約200mmなので、測定対象30の面上のビームスポットの走査速度は約5mm/msであった。測定対象30はポリゴンミラーであり、測定面の幅は5mmであった。幅は5mmにわたるビームスポットの走査時間すなわち測定時間は1msであるため、1msの逆数である1kHz以下の機械的な振動によって測定誤差は生じないことから、測定には除震台を用いなかった。
In the shape measurement experiment, specific conditions were as follows. As the
ポリゴンミラーの表面形状を測定した結果を図5に示す。ポリゴンミラーの表面をz軸に沿って3mmの範囲で移動させて測定を行った場合にも、同様な測定結果が得られた。太線はレーザビーム高速走査法による本装置での測定結果で、細線はレーザ干渉計Wyko NT3300(ビーコインスツルメンツ社製)による測定結果である。両者の差は、二乗平均平方根で0.98nmであった。レーザビーム高速走査法による表面形状測定の安定性を調べるために、20回の繰り返し測定を行った。その結果、各測定結果のばらつきは、二乗平均平方根で0.31nmであった。 The result of measuring the surface shape of the polygon mirror is shown in FIG. Similar measurement results were obtained when the surface of the polygon mirror was moved within the range of 3 mm along the z axis. The thick line is the measurement result with this apparatus by the laser beam high-speed scanning method, and the thin line is the measurement result with the laser interferometer Wyko NT3300 (manufactured by BEIKO INSTRUMENTS). The difference between the two was 0.98 nm in terms of root mean square. In order to examine the stability of the surface shape measurement by the laser beam high-speed scanning method, repeated measurements were performed 20 times. As a result, the variation of each measurement result was 0.31 nm in terms of root mean square.
当該形状測定実験の結果から、本実施例の構成に基づく特有の効果が次のように結論づけられる。測定対象面を前後に移動させた場合でも表面形状の測定結果は変化しないことから、測定対象面の位置設定精度は数mm程度で良い。測定対象面上のビームスポットの走査速度は約5mm/msと高速であるため、測定時間はミリ秒オーダーと非常に短時間となり、測定において除震装置を必要としない。以上の特性を有するため、機械的振動が多く存在するインプロセス計測において本形状測定装置はその有用性を発揮する。 From the result of the shape measurement experiment, a specific effect based on the configuration of the present embodiment can be concluded as follows. Since the measurement result of the surface shape does not change even when the measurement target surface is moved back and forth, the position setting accuracy of the measurement target surface may be about several millimeters. Since the scanning speed of the beam spot on the surface to be measured is as high as about 5 mm / ms, the measurement time is as short as millisecond order, and no vibration isolator is required for measurement. Since it has the above characteristics, this shape measuring apparatus exhibits its usefulness in in-process measurement in which many mechanical vibrations exist.
以上のように本実施例の形状測定方法及び装置では、走査光学系によりレーザ光源10から放射される光束を測定対象30の表面上で走査させ、当該測定対象30で反射された反射光束の伝搬方向を光伝搬方向検出系で検出し、当該検出結果に基づいて演算を行うことにより測定対象30の表面形状を求める形状測定方法(又は当該検出結果に基づいて演算装置としてのパソコン51で演算を行うことにより測定対象30の表面形状を求める形状測定装置)であって、前記走査光学系を、レーザ光源10から放射される光束を所望の方向へ変向させる光束変向手段としてのスキャナミラー20と、該スキャナミラー20で変向された光束を反射する平面ミラー21と、該平面ミラー21と対向して設けられ、前記平面ミラー21で反射された光束を反射して測定対象30に入射させる凹球面ミラー22とから構成すると共に、前記光束がスキャナミラー20から平面ミラー21を介して凹球面ミラー22に至るまでの光路長A−Q−Cが凹球面ミラー22の曲率半径に等しくなるよう平面ミラー21及び凹球面ミラー22を配設し、前記光伝搬方向検出系を、測定対象30で反射された反射光束が入射するレンズ41と、該レンズ41から該レンズ41の焦点距離fだけ離れた位置に配置された光ビーム位置検出器42とから構成している。
As described above, in the shape measuring method and apparatus of the present embodiment, the light beam emitted from the
このようにすると、測定対象表面の傾斜によって測定対象面からの反射光束の伝搬方向が異なることから表面形状の測定を行うことができるため、正確に角度振れを検出することができる光学系となっており、測定対象30の位置設定精度に対する厳しい条件はなくなり、2次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる。従って、測定対象30の位置設定精度に対する厳しい条件がなく、2次関数の表面形状成分を含む表面形状も正確に測定できる形状測定方法及び装置を提供することができる。
In this way, since the surface shape can be measured because the propagation direction of the reflected light beam from the measurement target surface varies depending on the inclination of the measurement target surface, the optical system can accurately detect angular shake. Therefore, there are no strict conditions for the position setting accuracy of the measuring
また本実施例の形状測定方法及び装置では、測定対象30で反射された反射光束をスキャナミラー20で反射するように構成し、当該スキャナミラー20で反射された反射光束をレンズ41へ向けて反射する第2の平面ミラー40を配設している。
Further, in the shape measuring method and apparatus of the present embodiment, the reflected light beam reflected by the measuring
このようにすると、光伝搬方向検出系を走査光学系から離れた位置に配置できるため、当該形状測定に使用する装置(形状測定装置)が構成しやすくなる。 In this way, since the light propagation direction detection system can be arranged at a position away from the scanning optical system, it is easy to configure an apparatus (shape measuring apparatus) used for the shape measurement.
さらに本実施例の形状測定方法及び装置では、前記光伝搬方向検出系の検出結果である光ビーム位置検出器42の検出位置△(△=2θf、θは前記測定対象の表面の傾斜角、fは前記焦点距離)に基づいて前記傾斜角θを逐次算出することにより、前記検出位置△の走査方向位置xに対する位置分布△(x)を測定し、次式を演算することにより、
Further, in the shape measuring method and apparatus of the present embodiment, the detection position Δ (Δ = 2θf, θ is the inclination angle of the surface of the measurement target, f is the detection result of the light
前記測定対象の表面形状r(x)を求める。 The surface shape r (x) of the measurement object is obtained.
このようにすると、光ビーム位置検出器42の検出位置から測定対象30の表面形状を容易に算出することができる。
In this way, the surface shape of the measuring
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。 In addition, this invention is not limited to the said Example, It can change in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
10 レーザ光源
20 スキャナミラー(光束変向手段)
21 平面ミラー
22 凹球面ミラー
30 測定対象
40 平面ミラー(第二の平面ミラー)
41 レンズ
42 光ビーム位置検出器
51 パソコン(演算装置)
10 Laser light source
20 Scanner mirror (light flux redirecting means)
21 Flat mirror
22 concave spherical mirror
30 Measurement target
40 plane mirror (second plane mirror)
41 Lens
42 Light beam position detector
51 PC (arithmetic unit)
Claims (6)
前記走査光学系を、前記光源から放射される光束を所望の方向へ変向させる光束変向手段と、該光束変向手段で変向された光束を反射する平面ミラーと、該平面ミラーと対向して設けられ、前記平面ミラーで反射された光束を反射して前記測定対象に入射させる凹球面ミラーとから構成すると共に、前記光束が前記光束変向手段から前記平面ミラーを介して前記凹球面ミラーに至るまでの光路長が前記凹球面ミラーの曲率半径に等しくなるよう前記平面ミラー及び前記凹球面ミラーを配設し、
前記光伝搬方向検出系を、前記測定対象で反射された反射光束が入射するレンズと、該レンズから該レンズの焦点距離だけ離れた位置に配置された光位置検出器とから構成したことを特徴とする形状測定方法。 The light beam emitted from the light source by the scanning optical system is scanned on the surface of the measurement object, the propagation direction of the reflected light beam reflected by the measurement object is detected by the light propagation direction detection system, and the calculation is performed based on the detection result. A shape measuring method for obtaining a surface shape of the measurement object by performing,
The scanning optical system is configured to change a light beam emitted from the light source in a desired direction, a light beam diverting unit, a plane mirror that reflects the light beam diverted by the beam diverting unit, and the plane mirror. And a concave spherical mirror that reflects the light beam reflected by the plane mirror and makes it incident on the object to be measured, and the light beam is transmitted from the beam redirecting means via the plane mirror to the concave spherical surface. The plane mirror and the concave spherical mirror are arranged so that the optical path length to the mirror is equal to the radius of curvature of the concave spherical mirror,
The light propagation direction detection system comprises a lens on which a reflected light beam reflected by the measurement object is incident, and an optical position detector disposed at a position separated from the lens by a focal length of the lens. The shape measurement method.
前記測定対象の表面形状r(x)を求めることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の形状測定方法。 The inclination angle θ is determined based on the detection position Δ of the optical position detector (Δ = 2θf, θ is the inclination angle of the surface of the measurement object, and f is the focal length), which is the detection result of the light propagation direction detection system. By sequentially calculating, the position distribution Δ (x) with respect to the scanning direction position x of the detection position Δ is measured, and by calculating the following equation:
3. The shape measuring method according to claim 1, wherein a surface shape r (x) of the measurement object is obtained.
前記走査光学系を、前記光源から放射される光束を所望の方向へ変向させる光束変向手段と、該光束変向手段で変向された光束を反射する平面ミラーと、該平面ミラーと対向して設けられ、前記平面ミラーで反射された光束を反射して前記測定対象に入射させる凹球面ミラーとから構成すると共に、前記光束が前記光束変向手段から前記平面ミラーを介して前記凹球面ミラーに至るまでの光路長が前記凹球面ミラーの曲率半径に等しくなるよう前記平面ミラー及び前記凹球面ミラーを配設し、
前記光伝搬方向検出系を、前記測定対象で反射された反射光束が入射するレンズと、該レンズから該レンズの焦点距離だけ離れた位置に配置された光位置検出器とから構成したことを特徴とする形状測定装置。 The light beam emitted from the light source by the scanning optical system is scanned on the surface of the measurement object, the propagation direction of the reflected light beam reflected by the measurement object is detected by the light propagation direction detection system, and the arithmetic unit is based on the detection result A shape measuring device for obtaining the surface shape of the measurement object by performing an operation in
The scanning optical system is configured to change a light beam emitted from the light source in a desired direction, a light beam diverting unit, a plane mirror that reflects the light beam diverted by the beam diverting unit, and the plane mirror. And a concave spherical mirror that reflects the light beam reflected by the plane mirror and makes it incident on the object to be measured, and the light beam is transmitted from the beam redirecting means via the plane mirror to the concave spherical surface. The plane mirror and the concave spherical mirror are arranged so that the optical path length to the mirror is equal to the radius of curvature of the concave spherical mirror,
The light propagation direction detection system comprises a lens on which a reflected light beam reflected by the measurement object is incident, and an optical position detector disposed at a position separated from the lens by a focal length of the lens. A shape measuring device.
前記測定対象の表面形状r(x)を求めるものであることを特徴とする請求項4又は請求項5記載の形状測定装置。
The arithmetic unit is based on the detection position Δ of the optical position detector (Δ = 2θf, θ is the inclination angle of the surface of the measurement object, and f is the focal length) which is the detection result of the light propagation direction detection system. By sequentially calculating the tilt angle θ, the position distribution Δ (x) of the detection position Δ with respect to the scanning direction position x is measured, and the following equation is calculated:
6. The shape measuring apparatus according to claim 4, wherein the surface shape r (x) of the measurement object is obtained.
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Citations (1)
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Family Cites Families (6)
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---|---|---|---|---|
JPS59154314A (en) * | 1983-02-24 | 1984-09-03 | Dainippon Screen Mfg Co Ltd | Apparatus for measuring distance and slanting angle |
JPS62233709A (en) * | 1986-04-04 | 1987-10-14 | Hitachi Ltd | Measuring system for tilt angle of surface |
JPS6432105A (en) * | 1987-07-28 | 1989-02-02 | Pioneer Electronic Corp | Angle deviation measuring instrument for flat plate member |
JPH08240408A (en) * | 1995-03-02 | 1996-09-17 | Omron Corp | Displacement sensor |
JPH08261734A (en) * | 1995-03-24 | 1996-10-11 | Ricoh Co Ltd | Shape measuring apparatus |
JP3023955B2 (en) * | 1998-11-24 | 2000-03-21 | 富士通株式会社 | Optical system for three-dimensional shape measurement |
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